camara de combustion hilton
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
LAB. DE INGENIERÍA MECANICA II
CÁMARA DE COMBUSTIÓN HILTON
ING. OSWALDO M. MORALES TAQUIRI
FUNDAMENTO TEÓRICO
Introducción
El rango de uso de la unidad de instrucción HILTON es extenso, desde una
prueba simple pero efectiva para operarios de caldero, hasta desarrollo de
proyectos e investigaciones.
Descripción
La Cámara de combustión “Hilton”, es una cámara de combustión a presión
constante.
Partes constitutivas de la unidad.
Quemador: puede ser utilizado en forma independiente con gas,
kerosén o con combinación de ambos.
Cámara de combustión: constituido por.
1.- Cámara Refractaria.
2.- Cámara de Combustión.
3.- Chimenea.
4.- Siete Visores.
5.- Orificio para el tubo muestreador.
6.- Bujía de Ignición.
Ventilador Centrífugo
Sistema de Combustible
1.- Circuito de Combustible líquido (Kerosén).
2.- Circuito de Combustible Gaseoso (GLP).
Sistema de Aire
Sistemas de Agua
1- Circuito de Refrigeración de la Cámara.
2- Circuitos de Refrigeración del tubo muestreador.
Panel de Control
ESPECIFICAIONES
QUEMADOR
Schieldron N°.3 – Patente Británica
789961 N° de serie: 1861G
Quemador de Combustión preparado par operar con combustibles líquidos
y gaseosos. Tiene un diseño especial para mantener la relación Aire-
Combustible.
VENTILADOR
B y C: Tipo y3/100 de tres etapas
Marca: TORNADO
Capacidad: 136 Kg/hr. A570 mm de H2O
Con motor eléctrico. N° 02041_ 890051
220v- 3Ø- 60 Hz – 13.5 Amper - 5Hp
3400 RPM.
CAMARA DE COMBUSTION
Compuesta de:
a) Cámara Refractaria.- de 12””Ø * 11 ¾” de longitud en forma interna
Cónica de 5 ¾” a 1 ¾”Ø con recubrimiento de lana de vidrio de 1” y chapa
metálica exterior y provista de una bujía de ignición eléctrica.
b) Cámara de Combustión.- constituida por dos cilindros concéntricos de
acero inoxidable entre los cuales circula agua. El casco interior de 18” Ø y
el exterior de 20” Ø.
c) Tiene también siete mirillas de vidrio, una al frente de 1 ½” de Ø y seis
ubicadas a los costados tres y tres, de 2” Ø. Además dispone de un orificio con
un tomador de muestra de gases refrigerado por agua.
CONTROLES
a.- Control manual de aire y combustible que mantiene la relación en 5 a 1.
b.- Válvula para regular el flujo de aire en la descarga del ventilador.
c.- Válvula de regulación de flujo de combustible líquido.
d.- Válvula reductora de presión del gas con presión de salida regulable.
e.- Válvula de regulación de flujo de combustible.
f.- Válvula para regular el flujo de agua de refrigeración.
g.- Válvula para controlar el flujo de agua del tomador de muestras.
INSTRUCCIONES DE OPERACIÓN DE EQUIPO:
REVISIONES ANTES DE OPERAR:
1. Drenara el condensado de la cámara, sacando el tapón ubicado en la parte
inferior.
2. Asegurar de que haya suficiente combustible (gas y/o líquido) para el
experimento programado.
3. Ajustar los tornillos reguladores de nivel, de tal forma que los medidores del
flujo de aire y de la presión de gas en la tubería marquen cero.
4. Chequear que la operación de salida del gas sea aproximadamente 120mm
de H2O, de no tener esta presión se procede a regularla mediante la válvula
reductora de presión (válvula tipo diafragma).
5. Verificar el suministro de agua a la cámara y al tomador de muestra. Se
recomienda un flujo inicial de agua 1000 Kg/hr.
6. Con la válvula de control de aire cerrada (posición N°1 en la escala),
arrancar el ventilador hasta que alcance su velocidad de régimen. Abrir
lentamente la válvula de control de aire y dejarla totalmente abierta
(Posición N° 8) durante un lapso de dos minutos de tal forma de desalojar
posibles gases residuales de experiencias anteriores.
7. Chequear que la bujía de encendido este en la posición correcta y se
produzca a chispa (de ocurrir esto llamara al técnico).
PROCEDIMIENTO DE ENCENDIDO (Encendido con Gas GLP)
1.- Verificar todos los pasos correspondientes a la sección antes de
operar”.
2.- Regular el flujo de agua a 1000Kg/hr.
3.- Abrir el agua de refrigeración para el tubo muestrador.
4.- Regular el flujo de aire a 135Kg/hr.
5.- se oprime el botón de ignición ala vez se abre la válvula de control
de Gas (situada en el panel) en forma lenta hasta conseguir el
encendido.
La válvula de control se ha de abrir hasta que se obtenga una
combustión estable; esto se consigue con un flujo aproximado de 9
Kg/hr de Gas. Para el flujo de aire del paso 4 se recomienda de 1 a 2
Kg/hr más de flujo de gas, tan solo para encenderlo y una vez
estabilizada la combustión mantener el flujo a 9Kg/hr.
PRECAUCIONES:
Sí al alcanzar el flujo de combustible mencionado anteriormente no
se consigue el encendido en la Cámara de Combustión, entonces
dejar inmediatamente de presionar el botón de ignición y a la vez
cerrar la válvula de control de combustible.
Dejar purgar la cámara durante dos minutos y verificar el estado dela
bujía de ignición, si esta se encuentra en buen estado reiniciar el
procedimiento de encendido.
6.- Se procede luego a retirar la bujía y colocar el tapón en la lumbrera
de ignición.
OPERACIÓN CON COMBUSTIBLE LÍQUIDO (Kerosén)
1.- Se realizan todos los pasos de la sección de “encendido por gas”,
con lo que tendremos una combustión estable.
2.- Se abre la válvula general de combustible (Kerosén) situada en la
tubería de suministro.
3.- Se abre la válvula de control de Kerosén (situada en el panel) en
forma lenta y en forma simultánea se va cerrando la válvula de
control de gas (también en el panel) cuidando que la combustión no
se interrumpa.
La válvula de control de Kerosén se ha de abrir hasta lograr una
combustión estable, lo cual se consigue con un flujo aproximado de
10 Kg/hr de Kerosén.
Conseguida la combustión este flujo se reduce a 7Kg/hr.
4.- Si la combustión se interrumpe, cerrar inmediatamente las válvulas
de control de combustible. Dejar funcionando el ventilador durante dos
minutos de tal forma de desalojar los gases residuales, procediendo
luego a reiniciar todo el proceso de encendido.
INSTRUCCIONES DE PARADA
1.- Cerrar la válvula de combustible del panel.
2.- Cerrar las válvulas de suministro en la tubería principal.
3.- Dejar funcionar el ventilador por dos minutos para la cámara,
cuidando que la palanca de control de flujo de aire esté colocada en
la posición 8.
4.- Parar el ventilador y luego colocar la palanca de control de flujo de
aire en la posición 1.
5.- Cortar el suministro eléctrico.
6.- Dejar correr el agua de refrigeración por espacio de 5 minutos y
luego cerrar la válvula.
PRECAUCIONES
1.- Previo al encendido, como ya se menciono anteriormente, se debe
purgar al cámara, para “barrer” posibles rastros de combustible debido
a ensayos anteriores.
2.- La temperatura de salida del agua de refrigeración no debe ser
mayor de 85° C, ni menor de 60°C.
3.- Se recomienda que la temperatura de salida de los gases debido a la
combustión sea menor de 60°C.
4.- si una vez estabilizada la combustión, esta se interrumpe
produciendo un apagón, se debe cerrar inmediatamente la válvula de
control manual de suministro.
BALANCE DE ENERGIA
Teniendo en cuenta que el calor es una forma de energía capaz de
transformarse en otras formas de energía. El balance de energía nos
proporciona un medio para determinar la eficiencia de la combustión y
los diferentes calores cedidos.
El calor liberado por el combustible al quemarse en la Cámara de
combustión será cedido a
1.- Calor cedido al agua de refrigeración que circula por la camisa de la
Cámara.
2.- Calor cedido a los gases de escape que se van por la chimenea.
3.- Calor cedido al agua formada durante los procesos de Combustión.
4.- Calor dejado de recibir a causa de una combustión incompleta.
5.- Calor cedido para el calentamiento de la humedad del aire
ambiental.
6.- Calor que se pierde por radiación, convección y otras pérdidas.
PROCEDIMIENTO PARA LA EXPERIENCIA
1.- Se enciende la unidad de acuerdo a las instrucciones.
2.- Se escoge un flujo de combustible (Kerosén). Se recomienda que sea
de 7 Kg/hr.
3.- Para el primer balance se recomienda un flujo de aire de 104 Kg/hr.
Para tener un pequeño exceso de aire con una relación de aire
combustible cercana a la estequiométrica (ra/c =14.7).
4.- El flujo de agua debe ser tal, que la temperatura de salida de agua
sea aproximadamente 80° C.
5.- Para estas condiciones se toman todas las lecturas que se indican en
la tabla de datos.
6.-Manteniendo a el flujo de combustible constante (7 Kg/hr), se toman
dos lecturas mas, variando el flujo de aire, se recomienda un flujo de
aire de 120 Kg/hr de aire (ra/c = 17) y un flujo de 135 Kg/hr de aire
(ra/c = 19).
CÁLCULOS Y RESULTADOS
Datos tomados en la experiencia:
COMB
Param.Comb.
Aire Gas Agua ORSAT
R a/cmc
(Kg/hr)Tc
ma(Kg/hr)
TaT gases
de escape
m(Kg/hr)
T entr
.
T sal.
% CO2 % O2 % CO
Propano111098
13121213
138138138138
27272828
720698660621
950950950950
17202121
80787470
10.1011.8413.5412.7
0.200.050.4
1.85
3.951.450.250.15
12.513.8915.6317.86
Kerosén10987
24242323
125125126126
28282828
642616583544
950950950950
21212121
71686357
12.4114
14.311.8
0.000.001.554.0
1.300.400.150.55
12.513.8915.6317.85
7
Cálculo de los coeficientes de las ecuaciones de reacción:
FORMUAL GENERAL DEL KEROSÉN
CxH y+a (O2+3 .76N2 )=bCO2+dCO+eO2+ fN 2+gH 2O
b d e f g a x y
12.414
14.2511.86
1.40.4
0.150.56
00
1.564.05
86.385.6
84.0683.45
19.80417.1213.05
12.080
22.96022.76622.35422.19
13.714.4414.4012.38
39.7034.25625.91024.180
FORMUAL GENERAL DEL GAS APROPANADO
CxH y+a (O2+3 .76N2 )=bCO2+dCO+eO2+ fN 2+gH 2O
b d e f g a x y
10.211.8613.5012.6
3.901.450.150.1
0.20.060.5
1.86
85.7086.6085.9085.40
21.06220.84117.56516.14
22.80624.00522.9122.70
14.0513.3
11.8012.70
42.12341.80
35.13432.306
Cálculo de las relaciones de aire/combustible con los coeficientes de la
reacción y los datos del laboratorio, así como la cantidad de carbono e
hidrógeno en el combustible.
GAS APROPANADO
ra/c_t = 15.6% exceso de aire
% de exceso de aire (Lab)
r a/c _rC (Kg C/ Kg Comb)
H (kg H/ Kg Comb) r a/c (lab)
14.8670
0.8002 0.1894 -4.356 12.5001 -19.8056
15.7160
0.7463 0.2055 0.7835 13.7803 -10.5624
15.7045
0.8135 0.1735 0.3963 15.6043 0.1745
16.708 0.8452 0.1763 7.5358 17.8035 14.6034
KEROSÉN
ra/c_t = 14.7% exceso de aire
% de exceso de aire (Lab)
r a/c _rC (Kg C/ Kg Comb)
H (kg H/ Kg Comb) r a/c (lab)
15.4467
0.8034 0.1945 5.06345 12.5001 -14.5913
15.0953
0.8355 0.1672 2.69352 13.8045 -5.54625
15.459 0.8623 0.1407 5.08934 15.8833 6.30455
17.5442
0.8635 0.1364 19.8045 17.9045 21.4056
Calor liberado por:
El Gas apropanado: 50264.5 KJ / Kg comb.
El Kerosén: 46276.23 KJ / Kg comb.
Calor cedido al agua de refrigeración (GLP)
m(Kg/hr)
mc(Kg/hr)
T entr. T sal. Q1 (KJ/Kg Comb)
950 11 17 80 23091.45
950 10 20 78 24179.35
950 9 21 74 25314.24
950 8 21 70 23856.90
Calor cedido al agua de refrigeración (Kerosén)
m(Kg/hr)
mc(Kg/hr)
T entr. T sal. Q1 (KJ/Kg Comb)
950 10 21 71 19894.54
950 9 21 68 20914.45
950 8 21 63 21316.90
950 7 21 57 20813.34
Calor cedido a los gases de escape (GLP)
T gas de
escapemg TBS C (Kg C /
KG Comb)Q2 (KJ/Kg
Comb)
720 14.0580
18.90
0.8002 9773.3432
698 14.8635 0.7463 9745.2314
660 15.0824 0.8135 9460.4884
621 16.1890 0.8452 9480.1256
Calor cedido a los gases de escape (Kerosén)
T gas de
escapemg TBS C (Kg C /
KG Comb)Q2 (KJ/Kg
Comb)
642 14.60454
18.90
0.8034 9390.53451
616 14.80543 0.8355 8936.05451
583 15.64427 0.8623 8884.60143
544 17.40436 0.8635 9460.5545
Calor cedido al agua formada por la combustión (GLP)
H (Kg H / Kg Comb ) Tpp Tc hfg pp
T gas escape
Presión Parc. (KPa)
Q3
0.1894 48.60 13 2385.235 720 11.435 6832.4546
0.2055 47.65 12 2383.980 698 11.0553 6950.9853
0.1735 48.64 12 2384.904 660 11.8054 5812.8035
0.1763 47.58 13 2382.435 621 11.0865 5620.3456
Calor cedido al agua formada por la combustión (Kerosén)
H (Kg H / Kg Comb ) Tpp Tc hfg pp
T gas escape
Presión Parc. (KPa)
Q3
0.1945 54.34 24 2340.653 642 16.4534 6450.3145
0.1672 52.89 24 2350.524 616 14.7456 5420.6472
0.1407 49.03 23 2380.543 583 11.5347 4205.5756
0.1364 47.36 23 2360.543 544 10.4556 4400.4562
Calor perdido por combustión incompleta (GLP)
% CO / (% CO + % CO2)
C (Kg C / Kg Comb) Q4
0.2034 0.8034 5180.4356
0.1045 0.7903 2020.5245
0.0345 0.8048 260.5345
0.0056 0.8575 148.5467
Calor perdido por combustión incompleta (Kerosén)
% CO / (% CO + % CO2)
C (Kg C / Kg Comb) Q4
0.08906 0.8123 1800.4356
0.02564 0.7942 548.8045
0.02054 0.8044 210.4356
0.03865 0.9024 899.3556
Calor Perdido por calentamiento de la humedad del aire (GLP)
T gas de
escape
Kg agua / Kg aire
r a/c M TBS Q5
720
0.0016
12.5001 0.257
18.90
315.432
698 13.7803 0.267 331.955
660 15.6043 0.280 360.789
621 17.8035 0.325 376.856
Calor Perdido por calentamiento de la humedad del aire (Kerosén)
T gas de
escape
Kg agua / Kg aire
r a/c M TBS Q5
642 0.0016 12.5001 0.245 18.90 293.643
616 13.8045 0.258 312.567
583 15.8833 0.305 334.633
544 17.9045 0.413 348.904
Calor perdido por radiación, convección y otros (GLP)
Q Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6
50264.5
23080.406 9760.345 6850.897 5180.986 316.896 5070.533
24050.876 9740.536 6930.678 2038.987 330.453 7154.852
25320.345 9460.876 5790.345 280.876 360.532 8953.245
23860.986 9460.567 5640.567 160.876 370.742 10567.567
Calor perdido por radiación, convección y otros (Kerosén)
Q Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6
46276.2
19870.425 9380.536 5890.560 1800.568 270.576 8046.987
20893.576 8850.567 6956.980 548.907 300.869 8607.578
21300.986 8890.456 5803.084 210.678 320.576 9730.566
2070.456 9470.457 5670.543 890.678 360.087 9120.567
RESUMEN DE RESULTADOS
Combust.Puntos r a/c
% exc aire
Q libera
do
% Q1
%Q2 %Q3 %Q4 %Q5 %Q6
GLP
112.5
-18.08
50264.5
43.90
20.56
12.70
10.6 0.7811.0
5
213.89
-10.7846.8
020.6
712.6
74.89 0.66
13.67
315.63
0.2052.6
719.8
011.6
80.34 0.74
16.87
417.86
14.8045.8
917.8
611.5
70.21 0.80
20.35
Kerosén 112.5
-14.6546276.2
341.8
718.5
613.6
74.06 0.56
16.67
213.89
-5.5344.5
621.8
714.6
71.56 0.60
18.90
3 15.63 6.20 46.80
20.67
13.67
0.67 0.63 20.38
417.857
21.7643.8
020.4
512.5
32.06 0.68
19.52
CONCLUSIONES
La cámara “Hilton”, es un equipo que nos permite realizar
múltiples pruebas referidas al uso adecuado de los combustibles.
Su uso demanda una instrucción previa del operario y ceñirse a los
manuales de uso de dicha cámara.
En la experiencia realizada se busco hallar la relación de aire y
combustible más óptima, para ello se emplearon dos tipos de
combustibles (gas Propano y Kerosene).
No se contó con el Analizador de Orsat, por lo cual, así que
tomamos el dato de una experiencia anterior, proporcionado por el
profesor.